JPH02110895A - Semiconductor memory - Google Patents
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Abstract
Description
[発明の目的]
(産業上の利用分野)
本発明は、強誘電体セルを用いた半導体メモリに係り、
例えば半導体ディスクや画像処理用メモリの分野に使用
される半導体メモリに関する。
(従来の技術)
DRAM(ダイナミック型ランダムアクセスメモリ)は
、従来、第12図に示すように、1つの情報保持用のキ
ャパシタC1と1つの電荷転送用のMOSトランジスタ
T1とが接続されてなるメモリセルを用いている。この
メモリセルは、キャパシタC1の一端側の電極には一定
のセルプレート電圧Vpを印加しておき、ワード線WL
を高レベルにしてMOS)ランジスタT1をオンにする
ことによって、キャパシタC1にビット線BLからMO
S)ランジスタf1を介して電荷を書込み、ワード線W
Lを低レベルにしてMOSトランジスタT1をオフにす
ることによって、キャパシタC1の電荷(データ)を保
持しておくものである。
上記したように、DRAMは、セル構造が単純であるこ
とからセル面積が小さいという特徴があり、高密度の記
憶素子として半導体メモリのうちで最も多く使用されて
いる。しかし、DRAMの欠点として、セルキャパシタ
に蓄えられた電荷によってデータの保持を行うので、例
えば電荷転送用トラレジ2スタのサブスレッショルドリ
ーク等、様々な要因によるリークによってセルフ電荷が
失われてしまうということがある。このリークによって
失われてしまう電荷を補給するために、リフレッシュ動
作を一定期間毎に行って、セルデータを保持しなければ
ならないことは周知である。
また、D RA Mは、高速に読み書きできるが、電源
をオフすればリフレッシュ動作が行われなくなり、記憶
内容が失われてしまう、いわゆる揮発性の半導体メモリ
である。
そこで、DRAMの高密度性を活かしながら、リフレッ
シュの必要性と電源オフ時の揮発性から解放されるよう
なRAM、Lかも、高速に読み書きできるものを研究し
ようという努力がなされてきた。特に、最近、不揮発性
で、かつ、データの書換えが容易なメモリ機能を有する
素子として、強誘電′体セルが発表(Elcctron
lcs/Pcb、4.1988P、32 : Elcc
tron1cs/Pcb、1g、1988 P、91−
P、95)されている。この強誘電体セルは、強誘電体
P Z T (Lead ZlrconaLe Tlt
anate )の自発分極特性を利用してデータを保持
するものである。しかし、この強誘電体セルをRAMへ
応用する方法は、SRAMのセルへ余分な付加素子を追
加した方式であり、セル面積が小さくならながったり、
DRAMのセルに近い方式であっても、1ビット当り2
つのセルが必要であり、かつ、セルデータの読出し動作
が複雑であるなどの問題がある。
(発明が解決しようとする課題)
本発明は、上記したような強誘電体セルをRAMへ応用
する従来の方法は、セル面積が大きくなり、セルデータ
の読出し動作が複雑であるなどの問題がある点に鑑みて
なされたもので、従来のDRAMの回路設計およびプロ
セス技術がら大きく離れることなく強誘電体セルを応用
することができ、リフレッシュ動作が不要になり、不揮
発性を有する半導体メモリを提供することを目的とする
。
[発明の構成〕
(課題を解決するための手段)
本発明は、メモリセルによって生じたビット線対の電位
変化を検知増幅するセンスアンプ系を有するゝ11導体
メモリにおいて、前記メモリセルは、強、A電体をキャ
パシタの電極間に挟んだ構造を持つ強誘電体キャパシタ
の一方の電極の電位が、前記ビット線の論理的な“1″
と“0°に対応する電位のほぼ中間レベルに固定され、
この強誘電体キャパシタの他方の電極とビット線との間
に電荷転送用トランジスタが接続されてなり、上記強誘
電体キャパシタの電極間の最大間隔をd (cm)、上
記強誘電体の自発分極を反転し、殆んど変化しなくなる
のに要する電場の強さをEt(v/crn)で表わした
とき、Et×dの値か、前記ビット線の論理的な“1“
と“O″に対応する電位の差のほぼ十分よりも小さいこ
とを特徴とする。
(作用)
ビット線対は、セルデータのアクセスが15:1始され
るまでの間は、セルプレート電位レベルにほぼ等しいレ
ベルにイコライズされており、アクセスが開始されて前
記メモリセルの電荷転送用トランジスタおよびリファレ
ンスセルの電荷転送用トランジスタかオンする直前に、
Vcc電bt、 、V SS’h位の2つの電源レベル
の一方付近のレベルに設定される。その後、メモリセル
の715 m転送用トランジスタおよびこのメモリセル
と対をなす側のビット線に接続されているリファレンス
セルの電荷転送用トランジスタがオンし、一方のビット
線にはリファレンスセルによりリファレンスレベルが発
生し、もう一方のビット線には前記メモリセルのデータ
によるデータレベルが発生する。この後は、従来のDR
AMと同1.策に、このビット線対のレベルかセンス増
幅される。
書込み動作に際しては、従来のDRAMと同様にデータ
の書込みが可能になる。
(実施例)
以下、図面を参照して本発明の一実施例を詳細に説明す
る。
第1図は、メモリセルによって生じたビット線対の電位
変化を検知増幅するセンスアンプ系を釘する半導体メモ
リとして、例えば従来のD RA、 Mのセルデータセ
ンス系に強誘電体キャパシタを持つメモリセル、リファ
レンスセルを採用したメモリの一部(セルが行列状に配
列されたメモリセルアレ・rの1カラムに対応する部分
を代表的に取出している)を示している。
ここで、BLおよびBLはビット線対、MC。
およびMC3は一方のビット線BLに接続されているメ
モリセル、MC2およびM C、、は他方のビット線B
Lに接続されているメモリセル、WLiおよびWL2は
一方のビット線BLに接続されているメモリセルの電荷
転送用トランジスタT1およびT3のゲートに接続され
ているワード線、WLIおよびWL2は他方のビット線
BLに接続されているメモリセルの電荷転送用トランジ
スタT2およびT4のゲートに接続されているワード線
、REFはメモリセルデータの読出しレベルに対するリ
ファレンスレベルを発生してビット線対に供給するリフ
ァレンスレベル発生回路、PRはビット線プリチャージ
回路、SAはビット線対の電位変化を検知増幅するセン
スアンプ、DQおよびDQはデータ線対、G、およびG
2はビット線対とデータ線との間に接続され、列選択信
号C5Lによりスイッチ制御されるビット線選択トラン
ジスタである。
メモリセルMC,〜MC4は、それぞれ第2図(a)お
よび(b)に示すように、強誘電体20を金属などの導
電体からなるキャパシタ電極2]、22間に挟んだ構造
を持ち、一方の電極(セルプレート)の電位VPFか前
記ビット線の論理的な“1“に対応する電位V 11と
“0”に対応する電1立V1、のほぼ中間レベルの電位
(Vll+Vl、)/2に固定されている強誘電体キャ
パシタCFと、この強誘電体キャパシタCFの他方の電
極と一方のビット線BLまたは他方のビット線BLとの
間に接続され、ゲートがワード線WLに接続されている
電荷転送用トランジスタTFとからなる。
強誘電体キャパシタCFの電極間の最大間隔d(cm)
は、後述するようにある値以下に作られている。
リファレンスレベル発生回路REFは、それぞれメモリ
セルMC,−MC4の強誘電体キャパシタCFのほぼ1
/2の面積と容量を持つ2個のすファレンス用強誘電体
キャパシタと、この2個のリファレンス用強誘電体キャ
パシタと1つのビット線との間にそれぞれ接続されてい
る2個の?LL荷転逆転送用トランジスタらなるリファ
レンスセルが用いられており、その詳細は後述する。
ここで、強誘電体の性質を第4図に示す。横軸は強誘電
体に印加される外部電場、即ち、前記強誘電体キャパシ
タの電極21.22間にV (v)の電圧が印加された
時のE (v/cm)=V (v)/d(cm)の値を
示し、縦軸は自発分極Pを〆jくしており55強、透電
体のPとEとの関係は、いわゆるヒステリシスの関係を
持っている。
いま、強誘電体の分極のドメインがばらばらであって全
体として分極を示さない状態から電場を印加する場合を
考える。先ず、Eを正方向に増大していくと、分極がO
からAまで増大していく。
分極がAの状、聾は、一定の方向の分極を持ったトメ・
rンのみとなって、分極は殆んど増加しなくなる。この
時の電場をEtで表わす。この後、Eを小さくしていっ
て零にしても、分極は零にならすにPsが維持され、さ
らに、逆方向にEを増大していくと、分極は図中41の
カーブにしたがってAからBまで変化する。分極がBの
状態は、前記分極がAの状態とは逆方向の分極を持った
ドメインのみとなって、分極は殆んど増加しなくなる。
この時の電場を−Etで表わす。再び、Eを増大してい
くと、分極は図中42のカーブにしたがってBからAま
で変化する。この時、Eを零にしても、分極は零になら
ずに−Psが維1jjされる。
上述したように、強誘電体を電極間に挟んだ強、透電体
キャパシタに電場Etを生じるような電圧を与えると、
その後、上記電極をtf遊状態にしても、分極の向きは
自発分極として維持される。この自発分極による強誘電
体の表面電荷はリークなどにより自然消滅することはな
く、逆方向の電場がかかって分極が零とならない限りは
、電場Etによって生じた分極の向きを維持し、その値
はほぼ1Pslのままである。
ところで、第2図(b)に示した強誘電体キャパシタの
電極間の最大間隔d(cm)であるが、ビット線の論理
的な“1″に対応する電位V11、“O″に対応する電
位V l、によって強誘電体の分極の向きが反転できる
ように設定しなければならない。即ち、セルプレート電
位をVPFで表わすと、Vll−VPF=VPF−VL
z (Vll +VL ) /2>E t xdを満足
するように決めなければならない。ここで、E[Object of the invention] (Industrial application field) The present invention relates to a semiconductor memory using ferroelectric cells,
For example, the present invention relates to a semiconductor memory used in the field of semiconductor disks and image processing memory. (Prior Art) DRAM (dynamic random access memory) is conventionally a memory in which one information retention capacitor C1 and one charge transfer MOS transistor T1 are connected, as shown in FIG. It uses cells. In this memory cell, a constant cell plate voltage Vp is applied to the electrode at one end of the capacitor C1, and the word line WL
By setting transistor T1 (MOS) to high level and turning on transistor T1, capacitor C1 is connected from bit line BL to MO
S) Write charge through transistor f1 and write charge to word line W
By setting L to a low level and turning off the MOS transistor T1, the charge (data) in the capacitor C1 is held. As described above, DRAM is characterized by its simple cell structure and small cell area, and is most commonly used among semiconductor memories as a high-density storage element. However, a drawback of DRAM is that data is retained by the charge stored in the cell capacitor, so self-charge is lost due to leakage caused by various factors, such as subthreshold leakage of the two registers for charge transfer. There is. It is well known that in order to replenish the charge lost due to this leakage, a refresh operation must be performed at regular intervals to retain cell data. Further, DRAM is a so-called volatile semiconductor memory that can be read and written at high speed, but when the power is turned off, a refresh operation is no longer performed and the stored contents are lost. Efforts have therefore been made to research RAMs that can read and write at high speed, taking advantage of the high density of DRAM, and freeing them from the need for refresh and volatility when the power is turned off. In particular, a ferroelectric cell has recently been announced as an element with a memory function that is nonvolatile and allows data to be easily rewritten (Elcctron).
lcs/Pcb, 4.1988P, 32: Elcc
tron1cs/Pcb, 1g, 1988 P, 91-
P, 95). This ferroelectric cell is made of ferroelectric P Z T (Lead ZlrconaLe Tlt
data is retained by utilizing the spontaneous polarization characteristics of (anate). However, the method of applying this ferroelectric cell to RAM is to add extra elements to the SRAM cell, which reduces the cell area and
Even if the method is similar to DRAM cells, 2 bits per bit.
However, there are problems in that two cells are required and the cell data reading operation is complicated. (Problems to be Solved by the Invention) The present invention provides that the conventional method of applying a ferroelectric cell as described above to a RAM has problems such as a large cell area and a complicated cell data read operation. This was done in consideration of certain points, and it is possible to apply ferroelectric cells without significantly departing from conventional DRAM circuit design and process technology, eliminating the need for a refresh operation, and providing a nonvolatile semiconductor memory. The purpose is to [Structure of the Invention] (Means for Solving the Problems) The present invention provides an 11-conductor memory having a sense amplifier system that detects and amplifies potential changes in bit line pairs caused by memory cells. , the potential of one electrode of a ferroelectric capacitor having a structure in which an electric body A is sandwiched between capacitor electrodes is equal to the logical "1" of the bit line.
and “fixed at approximately the middle level of the potential corresponding to 0°,
A charge transfer transistor is connected between the other electrode of the ferroelectric capacitor and the bit line, and the maximum distance between the electrodes of the ferroelectric capacitor is d (cm), and the spontaneous polarization of the ferroelectric material is When the strength of the electric field required to invert and hardly change is expressed as Et (v/crn), the value of Et×d or the logical “1” of the bit line
It is characterized in that the difference between the potentials corresponding to and "O" is approximately less than ten minutes. (Function) The bit line pair is equalized to a level approximately equal to the cell plate potential level until the cell data access starts at 15:1, and the bit line pair is equalized to a level approximately equal to the cell plate potential level until the cell data access starts at 15:1. Immediately before turning on the transistor and the charge transfer transistor of the reference cell,
It is set to a level near one of the two power supply levels of Vcc, bt, and VSS'h. After that, the 715 m transfer transistor of the memory cell and the charge transfer transistor of the reference cell connected to the bit line paired with this memory cell are turned on, and the reference level is set to one bit line by the reference cell. A data level based on the data of the memory cell is generated on the other bit line. After this, conventional DR
Same as AM 1. As a measure, the level of this bit line pair is sense amplified. During a write operation, data can be written in the same way as in conventional DRAMs. (Example) Hereinafter, an example of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Figure 1 shows a semiconductor memory that uses a sense amplifier system that senses and amplifies potential changes in bit line pairs caused by memory cells, such as a conventional DRA, M memory that has a ferroelectric capacitor in its cell data sense system. A part of a memory employing cells and reference cells (a portion corresponding to one column of a memory cell array r in which cells are arranged in rows and columns is representatively taken out) is shown. Here, BL and BL are bit line pairs, MC. and MC3 are memory cells connected to one bit line BL, MC2 and MC, , are memory cells connected to the other bit line B
Memory cells connected to L, WLi and WL2 are word lines connected to the gates of charge transfer transistors T1 and T3 of memory cells connected to one bit line BL, and WLI and WL2 are connected to the other bit line BL. The word line REF, which is connected to the gates of the charge transfer transistors T2 and T4 of the memory cells connected to the line BL, is a reference level that generates a reference level for the read level of memory cell data and supplies it to the bit line pair. A generation circuit, PR is a bit line precharge circuit, SA is a sense amplifier that detects and amplifies the potential change of the bit line pair, DQ and DQ are the data line pair, G and G.
Reference numeral 2 designates a bit line selection transistor connected between the bit line pair and the data line and whose switch is controlled by a column selection signal C5L. As shown in FIGS. 2(a) and 2(b), each of the memory cells MC and MC4 has a structure in which a ferroelectric material 20 is sandwiched between capacitor electrodes 2 and 22 made of a conductive material such as metal, The potential VPF of one electrode (cell plate) is approximately the middle level potential between the potential V11 corresponding to the logical “1” of the bit line and the voltage V1 corresponding to the logical “0” (Vll+V1,)/ A ferroelectric capacitor CF fixed at 2 is connected between the other electrode of the ferroelectric capacitor CF and one bit line BL or the other bit line BL, and the gate is connected to the word line WL. It consists of a charge transfer transistor TF. Maximum distance d (cm) between electrodes of ferroelectric capacitor CF
is made below a certain value, as described below. The reference level generation circuit REF has approximately 1 of the ferroelectric capacitor CF of each memory cell MC, -MC4.
Two reference ferroelectric capacitors having an area and a capacitance of /2, and two ? A reference cell consisting of a LL load reverse transfer transistor is used, and its details will be described later. Here, the properties of ferroelectric material are shown in FIG. The horizontal axis represents the external electric field applied to the ferroelectric material, that is, E (v/cm) = V (v) when a voltage of V (v) is applied between the electrodes 21 and 22 of the ferroelectric capacitor. /d (cm), the vertical axis is the spontaneous polarization P, which is a little over 55, and the relationship between P and E of the conductive material has a so-called hysteresis relationship. Now, let us consider the case where an electric field is applied from a state where the polarization domains of the ferroelectric material are discrete and do not exhibit polarization as a whole. First, as E increases in the positive direction, the polarization becomes O
It increases from to A. Polarization is like A, and deafness is caused by a tome with polarization in a certain direction.
The polarization hardly increases. The electric field at this time is expressed as Et. After this, even if E is reduced to zero, Ps is maintained even though the polarization becomes zero.If E is further increased in the opposite direction, the polarization changes from A according to the curve 41 in the figure. Changes to B. In the state where the polarization is B, there are only domains having polarization in the opposite direction to the state where the polarization is A, and the polarization hardly increases. The electric field at this time is represented by -Et. When E is increased again, the polarization changes from B to A according to the curve 42 in the figure. At this time, even if E is made zero, the polarization does not become zero and -Ps is maintained. As mentioned above, when a voltage that generates an electric field Et is applied to a strong conductive capacitor in which a ferroelectric material is sandwiched between electrodes,
Thereafter, even if the electrode is placed in a tf free state, the direction of polarization is maintained as spontaneous polarization. The surface charge of the ferroelectric material due to this spontaneous polarization does not disappear spontaneously due to leakage, etc., and unless an electric field in the opposite direction is applied and the polarization becomes zero, the direction of the polarization caused by the electric field Et is maintained and its value remains approximately 1 Psl. By the way, the maximum distance d (cm) between the electrodes of the ferroelectric capacitor shown in FIG. It must be set so that the direction of polarization of the ferroelectric material can be reversed by the potential Vl. That is, when the cell plate potential is expressed in VPF, it must be determined so as to satisfy Vll-VPF=VPF-VLz(Vll+VL)/2>Etxd. Here, E
【は使用
する強誘電体によって決まる直であり、分極の向きを反
転して値を飽和するのに十分な電場の大きさである。例
えばE t −100(1v / c m、Vll−5
v、Vl、−0vならVl)F−2,5vであるから
d<2,5v÷1000 v / c m −25B
mとすればよい。
このように電極間間隔dを設定しておけば、ビット線に
Vllを与えた時とVLを与えた時とで分極が反対方向
を向くようにスイッチ制御でき、しかも、強制的な反転
を生じさせるまでは一定のデータとしての自発分極を保
持する。ことができる。
次に、第2図(a)に示したような強誘電体キャパシタ
を持つメモリセルの具体的な構造について記述する。強
誘電体は、電場のかかった部分だけ分極の向きが変化す
る。即ち、その部分の分極が単一ドメイン構造へと変化
するので、連続した強誘電体層でも部分部分の分極状態
を変化させることができる。そこで、従来のDRAMの
メモリセルの酸化膜と同じように用いて、しかも、分極
状態としてデータを不揮発的に保FjIできる。ここで
、不揮発性メモリで注意しなければならないのは、メモ
リセルの電極に直接つながるノードの拡散層の割合をな
るべく小さ(して基板電位レベルとのカップリングを減
らすことが必要であるということである。このカップリ
ングを減らさないと、電源のオン、オフ時に基板電位レ
ベルを介して、自発分極を反転させるようなノイズがメ
モリセルに発生するおそれがある。
以上述べたことを考慮したメモリセルの平面パターンお
よび断面構造を第5図(a)および(b)に示している
。即ち、シリコン基板1の表面に素子分離用のフィール
ド酸化膜2が形成された後に、索T−領域の基板表面上
にゲート絶縁膜3を介して電荷転送用トランジスタのゲ
ート電極(およびワード線)4となる第1導電層である
ポリシリコンがパターニング形成されている。次に、こ
のゲート7u極4をマスクとして、上記電荷転送用トラ
ンジスタのソース、またはドレインになる不純物拡散層
領域5.5′が形成され、さらに、基板上に酸化膜など
の絶縁層6が形成されている。
そして、絶縁層6に前記電荷転送用トランジスタのソー
ス(または、ドレイン)になるーh゛の不純物拡散層領
域5まで達するようにコンタクトホールが形成された後
、この絶縁層6上に第2導電層であるポリシリコン7が
堆積されて不純物拡散層領域5へ導電性のコンタクトが
とられ、このポリシリコン7が島状にパターニングされ
て個々のメモリセル川として独立した強誘電体キャパシ
タの一方の電極7が形成されている。
次に、基板上の仝而に8メモリセルに共通の強誘電体層
8か形成され、その上に第3導電層であるポリシリコン
9が堆積され、このポリシリコン9と強誘電体層8とが
パターニングされて強誘電体キャパシタの他ノjの電極
(プレート電極)9が各メモリセルに共通に形成されて
いる。これにより、第3導電層であるポリシリコン9の
下以外にある強誘電体層は除去されている。
次に′、基板上に酸化膜などの層間絶縁層10が形成さ
れ、この層間絶縁層10に前記電荷転送用トランジスタ
のドレイン(または、ソース)になる他方の不純物拡散
層領域5′まで達するようにコンタクトホールか形成さ
れた後、この層間絶縁層10上に第4導電層11である
アルミニウム、またはポリシリコン、またはポリシリコ
ンとシリサイドとの複合膜が堆積されて不純物拡散層領
域5′へ導電性のコンタクトがとられ、この第4導電層
11がパターニングされてビット線11か形成されてい
る。
このようにして、従来のD RA Mの積み上げ構造の
メモリセルと殆んど変わらない構造で強誘電体キャパシ
タを持つメモリセルが実現されているので、メモリセル
の占6面積は小さく、集積度も従来のDRAMとほぼ同
じになる。
次に、上記したように構成されたセンス系を合するRA
Mにおけるメモリセルデータのセンス動作を説明する。
先ず、メモリセルとビット線との間の電荷の移動量につ
いて説明する。第6図(a)および(b)は、メモリセ
ルかビット線に接続される前の初期状態と、接続された
後の最終状態(選択状態)とにおける各部の電位などを
模式的に示したものである。上記メモリセルの強誘電体
キャパシタCFのセルプレートの電位はVPI’であり
、このメモリセルに書込まれているデータが“O″か“
1°であるかにしたかって、対向71i1−m(電荷転
送用トランジスタに接続されている電極)の電位Viは
、
VL≦Vi≦VPlコマタは VPF≦V i ≦Vl
lとなる。これは、書込まれているデータが“O“の時
は、先ず、Vi=V1.とじて“0”に対応する自発分
極を作り、その後、読出し期間以外には、このメモリセ
ルを長時間アクセスしなければVi−vppとなるよう
に電荷転送用トランジスタを弱くオンとするため、アク
セス間隔によってはviがV LとVPFとの中間レベ
ルとなるためである。
同様に、書込まれているデータが“1“の時は、Vi−
Vllとして“1“にk・l応する自発分極を作゛るた
めに、viはV IIとVPFとの中間レベルを取り得
る。なお、ここで、最終的にはVi−VPPと設定され
るようにしておくのは、電極を完全なt9遊状態にして
おいた場合、電荷のリーク先(例えば基板電位レベルへ
のリークなど)によっては、電極の電位は書込んだ自発
分極を反転させることもあり得るからである。
いま、ビット線の容量cBの初期レベルをV SS。
自発分極の大きさをPS、強誘電体キャパシタCFの対
向面積をA、その容量をCで表わした時、メモリセルが
ビット線に接続された後の最終状態(選択状態)でのビ
ット線の電位Vfを前記Vtと対応させて第6図(b)
に示している。書込まれているデータが“0“の時には
、
Vf=C−Vi/ (C+CB)
己なり、書込まれているデータが“】”の時には、Vf
−2Φ A −Ps / (C+CB )+C
−V i/ (C+C11)
となる。即ち、書込まれているデータが“0″のメモリ
セルと書込まれているデータが“1“のメモリセルとで
は、」1記Vfに最小でも2・A・Ps / (C+C
I3 )の差が存在する。従って、“0”と“1″のリ
ファレンスレベルとして、第6図(b)中に示している
レベルVI?lElンを設定できれば、メモリセルのデ
ータをViに無関係にセンスすることができる。
これに対して、読出15前のビット線電位V 13かV
ccであった時には、最終状態(選択状態)でのVfは
、第6図(b)中に示してい6VfにCO#Vcc/
(C+ CB )
を加えたものとなる。
次に、上記リファレンスレベルを作り出す動作を第7図
(a)および(b)を参照して説明する。
第7図(a)および(b)は、第3図に示したリファl
ノンスレベル発生回路REFのり、アアレンスセルかビ
ット線に接続される前の初期状態と、接続された後の最
終状態(選択状態)とにおける各部の電位などを模式的
に示したものである。上記リファレンスセルの2つのリ
ファレンス用強誘電体キャパシタDCA、DCBは、そ
れぞれ前記メモリセルの強誘電体キャパシタCFのほぼ
半分の面積A/2と容量c/2を持つ。そして、一方の
リファレンス用強誘電体キャパシタDCAのセルプレー
ト電位をVPF(メモリセルの強誘電体キャパシタCF
のセルプレート電位と同じ)、他方のリファレンス用強
誘電体キャパシタDCBのセルプレート電位をVp(V
ec電位、またはVss電位)と表わす。また、第6図
のViに相当する電位はVPPにしておく。読出し前の
ビット線電位VBがVssかVccかにしたがって、」
−記一方のリファレンス用強誘電体キャパシタDCAの
初期状態を第7図(b)に示すように設定しておく。
即ち、VB−VssO時は、上記一方のリファレンス用
強誘電体キャパシタDCAに“1“ Vll−VCCの
時は、上記一方のリファレンス用強誘電体キャパシタD
CAに“0”を書込んでおく。なお、リファレンス用強
:A電体キャパシタDCBの初期状態は、対向電極の電
位がVPII’なのでVp−VCCでは“Q” vp
−vssでは′1#となっている。リファレンスセルが
ビットぜんに接続されると、リファレンス用強誘電体キ
ャパシタDCBは、読出し前のビット線電位VBがVs
sかVccのいずれのレベルにあっても、セルプレート
電位がVpであるので、その強誘電体の“Oo “1
”の状態は変化しない。そして、リファレンス用強誘電
体キャパシタDCBでは、ビット線電位V 13とVP
Pとの関係は、上記リファレンスセルがビット線に接続
されると、その内容が反転するようなレベルに設定され
ているので、上記リファレンスセルがビット線に接続さ
れた後の最終状f!!5(選択状態)は、読出し前のビ
ット線電位VBがVssてあった時には、
V f =A−Ps / (C+CB )+C−VPI
コ/(C→−CB)
となる。これは、第6図(b)中に示しているリファレ
ンスレベルVRI:Pに対応する。
これに対して、読出し前のビット線電位VBがVCCで
あった時にも、Vfは第6図(b)のV REI’にC
B −VCC/ (C+ CB )を加えた読出し前の
ビット線電位VBがVCCの場合のリファレンスレベル
になる。
上述したリファレンスレベルを発生するためのリファレ
ンスレベル発生回路REFとして、上記読出し前のビッ
ト線電位VBがVSSとなる場合に対応する構成を第3
図に示している。即ち、ビット線BLおよびBLにそれ
ぞれ1個のリファレンスセルRCおよびRCが接続され
、ビット線対にビット線レベルセット回路LSが接続さ
れている。ビット線BLに接続されているリファレンス
セルRCは、前記メモリセルの強誘電体キャパシタCF
のほぼ1/2の面積A/2と容量C/2を持つ2個のリ
ファレンス用強誘電体キャパシタ(DC,およびDC2
)と、この2個のリファレンス用強誘電体キャパシタの
それぞれ一方の電極と一方のビット線BL間に各対応し
て接続されている電荷転送用トランジスタ(DTlおよ
びDT2)とからなる。
同様に、他方のビット線BLに接続されているリファレ
ンスセルRCは、前記メモリセルの強調71i 体キャ
パシタCFのほぼ1/2の面積A/2と容量C/ 2を
持つ2個のリファレンス用強誘電体キャパシタ(DC3
およびDC,、)と、この2個のリファレンス用強誘電
体キャパシタのそれ゛ぞれ一ノjの電極と他方のビット
線BL間に各対応して接続されている電荷転送用トラン
ジスタ(DT3およびDT、、)とからなる。
そして、一方のビット線BLに接続されている2個の’
15 d:j転送用トランジスタ(DT、およびDT2
) の各ゲートには、ダミーワード線DWLからダミー
ワード線信号が与えられるようになっており、この2個
の733 Q転送用トランジスタ(DT、およびD T
2 )にそれぞれ接続されているリファレンス用強誘
電体キャパシタ(DC,およびDC2)の他方の電極は
、対応してVSSSS電工び前記ビット線の論理的な“
1”に対応する電位V Bと“O“に対応する電位Vl
、のほぼ中間レベルの電位(VIl+VL)/2に固定
されている。上記中間電位が与えられているリファレン
ス用強誘電体キャパシタDC2の自発分極は、これに接
続されている電荷転送用トランジスタDT2がデータセ
ンス時にオンした時に反転するような向きに設定されて
いる。
そして、上記中間電位が与えられているリファレンス用
強誘電体キャパシタDC2と電荷転送用トランジスタD
T2との接続ノードNdとVcc7ti位との間に、1
メモリサイクル毎に接続ノードNdの電位をリセットす
るためのリセット用トランジスタDS1が接続されてお
り、このトランジスタDS、のゲートには、リセット線
からリセット信号DC3Tが与えられるようになってい
る。
同様に、他方のビット線BLに接続されている2個の電
荷転送用トランジスタ(DT3およびDT4)の各ゲー
トには、反転側のダミーワード線DWLからダミーワー
ド線信号が与えられるようになっており、この2個の電
荷転送用トランジスタ(DT、およびDT4.)にそれ
ぞれ接続されているリファレンス用強誘電体キャパシタ
(DC3およびDC4)の他方の電極は、対応して中間
レベルの電位およびVss電位に固定されており、上記
中間電位が与えられているリファレンス用強誘電体キャ
パシタDC3の自発分極は、これに接続されている電荷
転送用トランジスタDT3かデータセンス時にオンした
時に反転するような向きに設定されている。
そして、上記中間電位が与えられているリファレンス用
強誘電体キャパシタDC3と電荷転送用トランジスタD
T、との接続ノードNdとVCC電位との1111に、
1メモリサイクル毎に接続ノード「1の電位をリセット
するためのリセット用トランジスタDS2が接続されて
おり、このトランジスタDS2のゲートには、前記リセ
ット線からリセット信号DC8Tが与えられるようにな
っている。
次に、第1図のセルデータセンス系を有するメモリの動
作について、第8図に示す動作波形および第3図のリフ
ァレンスレベル発生回路REFを参照して説明する。
先ず、動作の概要を述べる。ビット線対は、メモリセル
データのアクセスが開始されるまでの間は、セルプレー
ト電位VPPのレベルにほぼ等しいレベルにイコライズ
されており、アクセスが開始されてメモリセルの電荷転
送用トランジスタおよびリファレンスセルの電荷転送用
トランジスタがオンする直前に、VCC電位、VSS電
位の2つの電源レベルの一方付近のレベル(本例ではV
ss電位)に設定される。その後、メモリセルの電荷転
送用トランジスタおよびこのメモリセルと対をなす側の
ビット線に接続されているリファレンスセルの電(J転
送用トランジスタがオンし、このリファレンスセルのう
ちの1つのリファレンス用強誘電体キャパシタの自発分
極が反転して一方のビット線にリファレンスレベルが発
生し、もう一方のビット線には前記メモリセルのデータ
によるデータレベルが発生する。この後は、従来のD
RA Mと同様に、このビット線対のレベルがセンス増
幅される。
次に、上記動作を詳述する。ワード線WLIが立上がっ
てメモリセルM C、がアクセスされる場合を考える。
アクセスが開始される前は、ダミーワード線DWLおよ
びDWLはそれぞれ“H″レベルあり、リファレンスセ
ルの電荷転送用トランジスタDT+−DT4は十分オン
状態であり、全てのワード線WL1、WLl、wL2・
・・はメモリセルの電荷転送用トランジスタT1〜T4
がオンする程度のレベルになっている。また、BLP信
号は“H“レベルであり、プリチャージ回路PRのトラ
ンジスタP1〜P3はオンとなっていて、ビット線BL
およびBLはそれぞれvppの1ノベルになっている。
従って、リファレンス用強誘電体キャパシタDC2およ
びDCうのビット線側電極(前記接続ノートNdおよび
Nd)の電位はそれぞれV PP。
メモリセル用強誘電体キャパシタC,−C4のビット線
側電極の電位はそれぞれほぼvpp近くのレベルになっ
ている。従って、セルプレート電位がVSSであるリフ
ァレンス用強誘電体キャパシタDC,およびDC4はそ
れぞれ1mの状態にセットされている。また、セルプレ
ート電位がVPPであるリファレンス用強誘電体キャパ
シタDC2およびDC3は、前回のアクセスの終わりに
“1”がセットされている。
さて、アドレスが決まり、アクセスが開始されると、先
ず、ダミーワード線DWL、DWLおよび全てのワード
線WL1、wLl、wL2・・・がVssレベルとなり
、リファレンスセルの電荷転送用トランジスタDT、〜
DT、およびメモリセルの電荷転送用i・ランジスタT
1〜T1がオフする。
その後、BLP信号が立ち下がってプリチャージ回路P
RのトランジスタP1〜P、がオフし、ビット線BLお
よびBLはそれぞれVPI!レベルから切り離される。
次に、BLST信号が立上がってビット線レベルセット
回路LSのトランジスタ5I−83かオンになり、ビッ
ト線BLおよびBLはそれぞれセルデータ検出のための
レベルに設定される。この例では、ビット線BLおよび
BLはVSSレベルにセットされる。
この後、BLST信号が立下がると、データをビット線
BLおよびBLへ転送するために、ワード線WLIおよ
びダミーワード線DWLのみが立上がり、メモリセルの
電荷転送用トランジスタT1およびリファレンスセルの
電荷転送用トランジスタ(DT、およびDT、)か十分
オン状態になる。このビット線BLおよびBLへのデー
タの転送レベルは、第6図および第7図に示した通りで
あり、ビット線対には、はぼA−Ps/(C+CB)の
レベル差が生じる。
従って、強誘電体キャパシタとしては、面積Aか大きい
程、強誘電体の自発分極Psが大きい程、ビット線容量
CBが小さい程、データ転送量が大きいか、従来のDR
AMと異なるのは、セルの容量は小さい方がよいという
ことである。この場合、面積Aは小さくできないので、
自発分極Psの反転条件が許す限り、強誘電体を厚くし
た方がよい。
また、ビット線BLおよびBLにデータか転送された後
のセンス増幅は、従来の一般的なりRANlと同様であ
るが、ビット線BLおよびBLのレベルか(−1ずれも
VSS側にあることが異なる。そこで、本実施例でのセ
ンス増幅は、先ず、SEP信号を立上げ、センスアンプ
SAのPMO8I−ランジスタSP1およびSF3によ
りVCC側に向がってセンスを行い、その後、S E
N に号を立下げ、NMO8)ランジスタSN、および
sN2によりVss側のビット線のレベル確保を行う。
ビット線対のレベル差が十分増幅された後に、選択され
たCSL信号が立上がってトランジスタG、およびG2
がオンになり、このトランジスタG1およびG2を介し
てデータ線DQおよびDQへとデータか転送されて読出
しが完了する。
次に、次のサイクルのための初期状態を作る動作へと入
っていく。先ず、今まで立上がっていたワード線WLI
およびダミーワード線DWLが立上かる。その後、SE
P信号が立上がり、5EN1゜号も立上がり、センスア
ンプSAがリセットされると同時に、DC8T信号が立
上がり、トランジスタDS、およびD S 2がオンに
なり、接続ノートNdおよびNdかほぼvecレベルに
なり、前エ己セルプレート電位がVPPであるリファレ
ンス用強誘電体キャパシタDC2およびDC3がそれぞ
れ“1”の状態に書込みセットされた後、DC3T信号
が立下がる。この間に、BLP信号が立上がってトラン
ジスタp、−p、がオンし、ビット線BLおよびBLは
それぞれVPFにプリチャージΦイコライズされる。
このイコライズφプリチャージが完rする頃、ダミーワ
ード線DWL、DWLおよび全てのワード線WL 1、
WL 1、WL2・・・のレベルを立上げ、メモリセル
セルの電極をVPPレベルへと導く。この際、ダミーワ
ード1DWLおよびDWLの立上げは十分に行い、次の
サイクルに崗えてリファレンス用強誘電体キャパシタD
C,〜DC1の電極をVPFと同じにしておく必要があ
るが、メモリセルについては、その電6:j転送用トラ
ンジスタT1〜T4はセルの電極が■PF以外のノード
ヘリークするのを補って、セルに自発分極を反転させる
ような電場がかからないように僅かにオンしていれば十
分であり、上記メモリセルの電荷転送用トランジスタT
1〜T4の閾値電圧VTH程度のレベルへワード線WL
1、WLl、WL2・・・のレベルをゆっくりと立上げ
ればよい。
こうすることによって、全てのワード線WLI、WLI
、WL2・・・のレベルを立上げる際のパワーと電流ピ
ークを極力小さくできる。このため、最少サイクルでア
クセを繰り返す場合には、前記メモリセルの電荷転送用
トランジスタT1〜T6.はオンとならないこともある
。そこで、長いサイクルの時、換言すれば、メモリセル
データのアクセスか開始されるまで間に前記ビット線対
が前記中間レベルの電位にイコライズされる期間か長い
時には、メモリセルフ電極がリークするのを補ってVP
Fレベル付近に保って強誘電体自発分極を反転させない
ように、メモリセルの電荷転送用トランジスタをオン状
態に設定すように)1■成しておくことにより、セルデ
ータか破壊されないように保護することが可能になる。
以上、読出し前のビット線電位VBがVSSとなる場合
のVSS方式を採用している場合の読出し動作を説明し
たが、読出し前のビット線電位V 13かVecとなる
場合のVcc方式を採用している場合は、(1)BLS
TfJ号により制御されるトランジスタS、−S3によ
りビット線BLおよびBLをそれぞれVPF近くのレベ
ルに設定するために、トランジスタS1およびS3の各
一端をVCC電位に接続しておくこと、(2)DC8T
信号により制御されるトランジスタDS、およびDS2
によりリファレンス用強誘電体キャパシタDC2および
D C’4に“0“を書込んでおくためにトランジスタ
DS、およびDS2の各一端をVSS電位に接続してお
くこと、(3)センスアンプSAを動かすためのPMO
Sトランジスタsp、およびSF3とNMOSトランジ
スタSN1およびSN2との動作順序が上記とは逆にな
ることがVSS方式を採用している場合と異なる。
なお、メモリセルへのデータ書込みは、従来の一般的な
り RA Mと全く同様であるので、その説明を省略す
る。
以上は、データのセンス増幅の動作について説明したか
、不揮発性RA Mとして機能させるためには、更に、
電源のオン、オフ時における内部信号のセット、リセッ
トの順序に十分注意しないと、過渡的な電圧によって強
誘電体キャパシタの内容か書換えられてしまうことがあ
る。特に、セルプレートレベルおよびビット線対のレベ
ルであるVPFは、負荷容態か大きく、電源のオン、オ
フ時にゆっくりと変化する。従って、VPFのレベルと
、ワード線をアクティブとすべきタイミングには、一定
の順序を設ける必要がある。
即ち、セルプレートレベルおよびビット線対のレベルが
VPPにならないうちにワード線がアクティブになった
りすると、セルの内容か破壊されるおそれがある。電源
オン時におけるδノードのレベルの立ち上げ順序を概念
的に第9図に示している。ここで、セルプレートレベル
検出回路91は、セルプレートレベルをモニタする回路
であり、電源オン時の出力vpは“L゛であるが、セル
プレートレベルがほぼVPPになると、出力Vpが“H
″となる。ビット線プリチャージレベル検出回路92は
、ビット線の電位レベルをモニタする回路であり、電源
オン時の出力V Bは“L″であるか、BLP信号が電
源オンと共に立上がってビット線がプリチャージされ始
めて、そのレベルがほぼVPPに達すると、VBは′H
”へと立上がる。
上記2つの信号vp、vnがアンドゲート93でアンド
処理が行われた出力により、初めて、ワード線レベル発
生回路94の出力およびダミーワード線レベル発生回路
95の出力がそれぞれアンドゲート96.97を経てワ
ード線およびダミーワード線へ出てメモリセルおよびリ
ファレンスセルのビット線側電極がVPI’へと変化す
る。この時までは、電荷転送用トランジスタはオフにな
っているので、上記ビット線側電極はlf遊状態であり
、強誘電体キャパシタの強誘電体にその自発分極を反転
する程の電場がかかることはない。
史に、ダミーワード線レベル発生回路95の出力により
ダミーワード線のレベルがきちんと立上がってリファレ
ンスセルのビット線側電極のレベルかきちんとVPPと
なってから、初めて、メモリ制御用の外部信号をアンド
ゲート98により受付けて内部信号を発生できるように
なり、誤ってセンスを行うことなく、セルにアクセスす
ることができるようになる。
即ち、上記した電源オン時における各電極ノードの電位
レベルの立上げのシーケンスにより、セルプレートレベ
ルおよびビット線対のレベルか十分に出力されて、初め
てセルとビット線との間の電荷転送用トランジスタがオ
ンすることができるので、その後にメモリ制御用の外部
信号を受け付けることができるようになって内部信号が
発生してセルデータのセンスが可能になる。
電源オフ時には、メモリセルおよびリファレンスセルが
ビット線と完全に切り離されてからビット線レベルおよ
びセルプレートレベルかオフしなければ、メモリセルの
強誘電体キャパシタの自発分極を反転してしまうような
過渡電圧が発生しi!Iる。即ち、セルプレートレベル
VPFと、センスアンプSAのNMOSトランジスタS
N、およびSN2の駆動信号SENとは、十分な時定数
をもってVCCの変化に追従していく必要かある。
このだめの回路構成を模式的に第10図に示している。
ここで、セルプレートレベル発生回路]01の出力であ
るVPFと、SENレベル発生回路102の出力である
SENとは、点線で図示する如く十分に大きな容量を持
っているので、vecかVSSへとオフしても、直接V
CC方向に電荷を流しさえしなければ、十分にゆっくり
と放電してレベルがドがっていく。そのために、2つの
レベル発生回路101.102とVCCノードとの間に
ダイオード103を挿入している。これによって、回路
の持つ自己の時定数でSEN出力、VPI’出力はオフ
していき、第9図のワード線レベル発生回路94やダミ
ーワード線レベル発生回路95か電源オフ時直後にオフ
した後に十分に時間的余裕を持ってオフするので、セル
を破壊することはない。
即ち、上記した電源オフ時における各電極ノードの電位
レベルの立上げのシーケンスにより、セルプレートレベ
ル発生回路、センスアンプ駆動レベル発生回路の各出力
は、メモリ制御用の外部信号を受けて内部信号を発生さ
せる回路、電荷転送用トランジスタをオンさせる信号の
発生回路がオフされた後に完全にオフされる。
また、前記リファレンスセルの2間のリファレンス用強
誘電体キャパシタは、上記実施例ではそれぞれメモリセ
ルの強誘電体キャパシタの容量のほぼ1/2の容量を持
つものとして説明したか、必ずしもメモリセルの強:A
電体キャパシタの容量のほぼ1/2の容量を持たなくて
もよく、メモリセルの強誘電体キャパシタの容量との差
に応じた分極の反転量が得られる。
また、上記説明では、リファレンスセルの2個のリファ
レンス用強誘電体キャパシタはそれぞれ別々の電荷転送
用トランジスタを介して1つのビット線に接続されてい
る例を示したが、これに限らず、第11図に示すように
、2個のリファレンス用強誘電体キャパシタ(DCIお
よびDC2)を1個の電荷転送用トランジスタDT、を
共通に介して一方のビット線BLに接続し、同様に、2
個のリファレンス用強誘電体キャパシタ(DC3および
DC,、)を1個の電荷転送用トランジスタDT3を共
通に介して他方のビット線BLに接続するようにしても
、上記説明と同様の動作および効果が得られる。
[発明の効果]
上述したように本発明によれば、前述したような所定の
構造の強誘電体キャパシタを有するセルを用いて前述し
またような回路方式でRA Mを構成することによって
、従来のD RA kiと同しレベルの集積度を持ち、
しかも、リフレッシュもイく要であり、電源オフ時に不
揮発的にデータを保持でき、読み書きのアクセス時間も
従来のDRAMと同程度の半導体メモリを、従来のDR
AMの回路設計およびプロセス技術から大きく離れるこ
となく実現できる。従って、本発明の半導体メモリは、
磁気ディスクの代替品としての半導体メモリの分野で非
常にH効である。[ is a field determined by the ferroelectric material used, and is the magnitude of the electric field sufficient to reverse the direction of polarization and saturate the value. For example, E t -100 (1v/cm, Vll-5
v, Vl, -0v then Vl) F-2,5v, so d<2,5v÷1000 v/cm -25B
It should be m. By setting the interelectrode spacing d in this way, it is possible to control the switch so that the polarization points in opposite directions when Vll is applied to the bit line and when VL is applied, and moreover, a forced reversal occurs. The spontaneous polarization is maintained as constant data until the polarization is stopped. be able to. Next, a specific structure of a memory cell having a ferroelectric capacitor as shown in FIG. 2(a) will be described. In a ferroelectric material, the direction of polarization changes only in the area where an electric field is applied. That is, since the polarization of that portion changes to a single domain structure, the polarization state of the partial portion can be changed even in a continuous ferroelectric layer. Therefore, FjI can be used in the same way as the oxide film of a conventional DRAM memory cell, and can maintain data in a non-volatile manner as a polarized state. What we must be careful about with nonvolatile memory is that the proportion of the diffusion layer of the node directly connected to the memory cell electrode must be as small as possible (to reduce coupling with the substrate potential level). If this coupling is not reduced, noise that reverses the spontaneous polarization may be generated in the memory cell via the substrate potential level when the power is turned on and off. The planar pattern and cross-sectional structure of the cell are shown in FIGS. Polysilicon, which is a first conductive layer that will become the gate electrode (and word line) 4 of the charge transfer transistor, is patterned on the substrate surface via a gate insulating film 3. Next, this gate 7u pole 4 is formed by patterning. An impurity diffusion layer region 5.5' that becomes the source or drain of the charge transfer transistor is formed as a mask, and an insulating layer 6 such as an oxide film is further formed on the substrate. After a contact hole is formed to reach the impurity diffusion layer region 5 which becomes the source (or drain) of the charge transfer transistor, a second conductive layer of polysilicon is formed on the insulating layer 6. 7 is deposited to make a conductive contact to the impurity diffusion layer region 5, and this polysilicon 7 is patterned into islands to form one electrode 7 of an independent ferroelectric capacitor as each memory cell. Next, a ferroelectric layer 8 common to the eight memory cells is formed on the substrate, and a third conductive layer, polysilicon 9, is deposited on top of the ferroelectric layer 8. The body layer 8 is patterned to form another electrode (plate electrode) 9 of the ferroelectric capacitor in common to each memory cell. The ferroelectric layer located at After a contact hole is formed to reach the other impurity diffusion layer region 5', a fourth conductive layer 11 of aluminum, polysilicon, or a composite film of polysilicon and silicide is formed on this interlayer insulating layer 10. is deposited to make a conductive contact to the impurity diffusion layer region 5', and this fourth conductive layer 11 is patterned to form a bit line 11. In this way, a memory cell with a ferroelectric capacitor is realized that has a structure that is almost the same as the stacked memory cell structure of conventional DRAM, so the area occupied by the memory cell is small and the degree of integration is low. is almost the same as conventional DRAM. Next, the RA that combines the sense system configured as described above is
The sensing operation of memory cell data in M will be explained. First, the amount of charge movement between the memory cell and the bit line will be explained. Figures 6 (a) and (b) schematically show the potential of each part in the initial state before the memory cell is connected to the bit line and in the final state (selected state) after it is connected. It is something. The potential of the cell plate of the ferroelectric capacitor CF of the above memory cell is VPI', and the data written in this memory cell is "O" or "0".
1 degree, the potential Vi of the opposing 71i1-m (electrode connected to the charge transfer transistor) is as follows: VL≦Vi≦VPl The frame is VPF≦V i ≦Vl
It becomes l. This means that when the written data is "O", first Vi=V1. After that, the charge transfer transistor is weakly turned on so that the state becomes Vi-vpp unless this memory cell is accessed for a long time, except during the read period. This is because vi becomes an intermediate level between VL and VPF depending on the interval. Similarly, when the written data is “1”, Vi-
In order to create a spontaneous polarization corresponding to "1" as Vll by k·l, vi can take an intermediate level between VII and VPF. Note that the reason why the final value is set to Vi-VPP is that if the electrode is left in a completely t9 free state, the charge will leak to the destination (for example, leak to the substrate potential level). This is because, depending on the situation, the potential of the electrode may reverse the written spontaneous polarization. Now, the initial level of the bit line capacitance cB is VSS. When the magnitude of spontaneous polarization is represented by PS, the opposing area of ferroelectric capacitor CF is represented by A, and its capacitance is represented by C, the bit line in the final state (selected state) after the memory cell is connected to the bit line is FIG. 6(b) shows potential Vf corresponding to Vt.
It is shown in When the written data is “0”, Vf = C-Vi/ (C + CB), and when the written data is “]”, Vf
-2Φ A -Ps / (C+CB)+C
−V i/(C+C11). In other words, for a memory cell in which the written data is "0" and a memory cell in which the written data is "1", the minimum Vf in 1 is 2・A・Ps/(C+C
I3) difference exists. Therefore, the level VI? shown in FIG. 6(b) is used as the reference level for "0" and "1". If IEL can be set, the data in the memory cell can be sensed regardless of Vi. On the other hand, if the bit line potential before reading 15 is V13 or V
cc, Vf in the final state (selected state) is shown in FIG. 6(b), and CO#Vcc/
(C+CB) is added. Next, the operation of creating the reference level will be explained with reference to FIGS. 7(a) and 7(b). Figures 7(a) and (b) are the references shown in Figure 3.
This diagram schematically shows the potentials of various parts of the nonce level generating circuit REF in the initial state before the reference cell is connected to the bit line and in the final state (selected state) after the connection. The two reference ferroelectric capacitors DCA and DCB of the reference cell each have an area A/2 and a capacitance c/2, which are approximately half of the ferroelectric capacitor CF of the memory cell. Then, the cell plate potential of one reference ferroelectric capacitor DCA is set to VPF (ferroelectric capacitor CF of the memory cell).
), and the cell plate potential of the other reference ferroelectric capacitor DCB is Vp (same as the cell plate potential of
ec potential or Vss potential). Further, the potential corresponding to Vi in FIG. 6 is set to VPP. Depending on whether the bit line potential VB before reading is Vss or Vcc,
- The initial state of the reference ferroelectric capacitor DCA is set as shown in FIG. 7(b). That is, at VB-VssO, the one reference ferroelectric capacitor DCA is set to "1". At Vll-VCC, one of the reference ferroelectric capacitors D
Write “0” to CA. In addition, in the initial state of the reference strong:A electric capacitor DCB, the potential of the counter electrode is VPII', so in Vp-VCC, "Q" vp
-vss is '1#. When the reference cell is connected to all bits, the reference ferroelectric capacitor DCB is connected so that the bit line potential VB before reading is Vs.
Since the cell plate potential is Vp regardless of whether it is at the level s or Vcc, the ferroelectric's “Oo”1
” does not change.Then, in the reference ferroelectric capacitor DCB, the bit line potentials V13 and VP
The relationship with P is set at such a level that when the reference cell is connected to the bit line, its contents are inverted, so that the final state f! after the reference cell is connected to the bit line is ! 5 (selected state), when the bit line potential VB before reading is Vss, V f =A-Ps/(C+CB)+C-VPI
ko/(C→-CB). This corresponds to the reference level VRI:P shown in FIG. 6(b). On the other hand, even when the bit line potential VB before reading is VCC, Vf is C to V REI' in FIG. 6(b).
The bit line potential VB before reading, which is the sum of B-VCC/(C+CB), becomes the reference level when VCC is VCC. As the reference level generation circuit REF for generating the reference level described above, a third configuration is provided which corresponds to the case where the bit line potential VB before reading becomes VSS.
Shown in the figure. That is, one reference cell RC and RC are connected to the bit lines BL and BL, respectively, and a bit line level set circuit LS is connected to the bit line pair. The reference cell RC connected to the bit line BL is connected to the ferroelectric capacitor CF of the memory cell.
Two reference ferroelectric capacitors (DC, and DC2
) and charge transfer transistors (DTl and DT2) respectively connected between one electrode of each of the two reference ferroelectric capacitors and one bit line BL. Similarly, the reference cell RC connected to the other bit line BL has two reference capacitors having an area A/2 and a capacitance C/2, which are approximately 1/2 of the 71i body capacitor CF of the memory cell. Dielectric capacitor (DC3
and DC, , ), and the charge transfer transistors (DT3 and It consists of DT,, ). Then, two '' connected to one bit line BL
15 d:j transfer transistors (DT and DT2
) is supplied with a dummy word line signal from the dummy word line DWL, and these two 733Q transfer transistors (DT and DT
2), the other electrodes of the reference ferroelectric capacitors (DC and DC2) respectively connected to the VSSSS electric wire and the logical "
The potential VB corresponding to "1" and the potential Vl corresponding to "O"
, which is approximately the intermediate level potential (VII+VL)/2. The spontaneous polarization of the reference ferroelectric capacitor DC2 to which the intermediate potential is applied is set in such a direction that it is inverted when the charge transfer transistor DT2 connected thereto is turned on during data sensing. A reference ferroelectric capacitor DC2 and a charge transfer transistor D are provided with the intermediate potential.
1 between the connection node Nd with T2 and the Vcc7ti level.
A reset transistor DS1 is connected to reset the potential of the connection node Nd every memory cycle, and a reset signal DC3T is applied to the gate of this transistor DS from a reset line. Similarly, a dummy word line signal is applied from the inverted dummy word line DWL to each gate of the two charge transfer transistors (DT3 and DT4) connected to the other bit line BL. The other electrodes of the reference ferroelectric capacitors (DC3 and DC4) connected to these two charge transfer transistors (DT and DT4) respectively are at the intermediate level potential and the Vss potential. The spontaneous polarization of the reference ferroelectric capacitor DC3, which is fixed at It is set. A reference ferroelectric capacitor DC3 and a charge transfer transistor D are provided with the intermediate potential.
At 1111 between the connection node Nd with T and the VCC potential,
A reset transistor DS2 is connected to reset the potential of the connection node "1" every memory cycle, and a reset signal DC8T is applied to the gate of the transistor DS2 from the reset line. Next, the operation of the memory having the cell data sense system shown in Fig. 1 will be explained with reference to the operating waveforms shown in Fig. 8 and the reference level generation circuit REF shown in Fig. 3. First, an outline of the operation will be described. The bit line pair is equalized to a level approximately equal to the level of the cell plate potential VPP until access of memory cell data is started, and when access is started, the charge transfer transistor of the memory cell and the reference cell are equalized. Immediately before the charge transfer transistor turns on, a level near one of two power supply levels, VCC potential and VSS potential (in this example,
ss potential). After that, the charge transfer transistor of the memory cell and the reference cell (J transfer transistor) connected to the bit line paired with this memory cell are turned on, and one of the reference cells is turned on. The spontaneous polarization of the dielectric capacitor is reversed to generate a reference level on one bit line, and a data level based on the data in the memory cell on the other bit line.After this, the conventional D
Similar to RAM, the level of this bit line pair is sense amplified. Next, the above operation will be explained in detail. Consider the case where word line WLI rises and memory cell MC is accessed. Before access starts, the dummy word lines DWL and DWL are each at "H" level, the charge transfer transistor DT+-DT4 of the reference cell is fully turned on, and all the word lines WL1, WLl, wL2.
...are charge transfer transistors T1 to T4 of memory cells
The level is such that it turns on. Further, the BLP signal is at "H" level, transistors P1 to P3 of the precharge circuit PR are on, and the bit line BL
and BL are each a VPP novel. Therefore, the potentials of the reference ferroelectric capacitor DC2 and the bit line side electrodes of DC (the connection notes Nd and Nd) are respectively VPP. The potentials of the bit line side electrodes of the memory cell ferroelectric capacitors C and -C4 are each at a level approximately close to vpp. Therefore, the reference ferroelectric capacitors DC and DC4 whose cell plate potential is VSS are each set at 1 m. Furthermore, the reference ferroelectric capacitors DC2 and DC3 whose cell plate potential is VPP are set to "1" at the end of the previous access. Now, when the address is decided and access is started, first, the dummy word lines DWL, DWL and all the word lines WL1, wLl, wL2... become the Vss level, and the charge transfer transistors DT of the reference cells, ...
DT, and i-transistor T for charge transfer of memory cells.
1 to T1 are turned off. After that, the BLP signal falls and the precharge circuit P
The transistors P1 to P of R are turned off, and the bit lines BL and BL are respectively set to VPI! separated from the level. Next, the BLST signal rises, transistors 5I-83 of the bit line level set circuit LS are turned on, and the bit lines BL and BL are each set to a level for detecting cell data. In this example, bit lines BL and BL are set to VSS level. After that, when the BLST signal falls, only the word line WLI and dummy word line DWL rise to transfer data to the bit lines BL and BL, and the charge transfer transistor T1 of the memory cell and the charge transfer transistor of the reference cell The transistors (DT and DT,) are fully turned on. The data transfer levels to the bit lines BL and BL are as shown in FIGS. 6 and 7, and a level difference of approximately A-Ps/(C+CB) occurs between the bit lines. Therefore, as a ferroelectric capacitor, the larger the area A, the larger the spontaneous polarization Ps of the ferroelectric, the smaller the bit line capacitance CB, the larger the amount of data transfer.
The difference from AM is that the cell capacity should be smaller. In this case, area A cannot be reduced, so
It is better to make the ferroelectric material thicker as long as the conditions for reversing the spontaneous polarization Ps allow. In addition, sense amplification after data is transferred to the bit lines BL and BL is similar to the conventional general RAN1, but the level of the bit lines BL and BL (-1 deviation may also be on the VSS side). Therefore, in the sense amplification in this embodiment, the SEP signal is first raised, sense is performed toward the VCC side by the PMO8I transistors SP1 and SF3 of the sense amplifier SA, and then the SE
N, and the level of the bit line on the Vss side is secured by NMO8) transistors SN and sN2. After the level difference between the bit line pair is sufficiently amplified, the selected CSL signal rises and transistors G and G2
is turned on, data is transferred to data lines DQ and DQ via transistors G1 and G2, and reading is completed. Next, the process begins to create an initial state for the next cycle. First, the word line WLI that had been up until now
and dummy word line DWL rises. After that, S.E.
The P signal rises, the 5EN1° signal also rises, the sense amplifier SA is reset, and at the same time the DC8T signal rises, transistors DS and DS2 are turned on, and the connection notes Nd and Nd become almost at the vec level. After the reference ferroelectric capacitors DC2 and DC3 whose previous cell plate potential is VPP are each written and set to the "1" state, the DC3T signal falls. During this time, the BLP signal rises, transistors p and -p are turned on, and bit lines BL and BL are precharged and equalized to VPF, respectively. When this equalization φ precharge is completed, dummy word lines DWL, DWL and all word lines WL1,
The levels of WL1, WL2, . . . are raised to lead the electrodes of the memory cells to the VPP level. At this time, the dummy words 1DWL and DWL are sufficiently raised, and the reference ferroelectric capacitor D is
It is necessary to keep the electrodes of C, ~DC1 the same as VPF, but for the memory cell, the voltage 6:j transfer transistors T1 to T4 compensate for the cell electrode leaking to nodes other than ■PF, It is sufficient that the charge transfer transistor T of the memory cell is turned on slightly so that an electric field that reverses the spontaneous polarization is not applied to the cell.
The word line WL to a level approximately equal to the threshold voltage VTH of 1 to T4.
1, WLl, WL2, etc. may be raised slowly. By doing this, all word lines WLI, WLI
, WL2, . . . power and current peaks when raising the levels can be minimized as much as possible. Therefore, when access is repeated in the minimum number of cycles, the charge transfer transistors T1 to T6 of the memory cells. may not turn on. Therefore, when the cycle is long, in other words, when the period during which the bit line pair is equalized to the intermediate level potential is long before memory cell data access is started, the memory self electrode leaks. Make up for VP
Protect the cell data from being destroyed by setting the charge transfer transistor of the memory cell to the on state (1) to keep it near the F level and prevent the ferroelectric spontaneous polarization from reversing. It becomes possible to do so. Above, we have explained the read operation when the VSS method is adopted when the bit line potential VB before reading becomes VSS, but when the Vcc method is adopted when the bit line potential before reading becomes V13 or Vec. (1) BLS
In order to set bit lines BL and BL to a level near VPF by transistors S and -S3 controlled by TfJ, one end of each of transistors S1 and S3 is connected to VCC potential, (2) DC8T
Transistors DS and DS2 controlled by signals
In order to write "0" into the reference ferroelectric capacitors DC2 and DC'4, one end of each of the transistors DS and DS2 must be connected to the VSS potential, and (3) the sense amplifier SA must be operated. PMO for
This differs from the case where the VSS method is adopted in that the operating order of the S transistors sp and SF3 and the NMOS transistors SN1 and SN2 is reversed from the above. Note that writing data into the memory cell is exactly the same as in a conventional general RAM, so a description thereof will be omitted. The above has explained the operation of data sense amplification, and in order to function as a nonvolatile RAM,
If sufficient attention is not paid to the order in which internal signals are set and reset when the power is turned on and off, the contents of the ferroelectric capacitor may be rewritten by a transient voltage. In particular, the cell plate level and the bit line pair level VPF are large depending on the load and change slowly when the power is turned on and off. Therefore, it is necessary to set a certain order for the VPF level and the timing at which the word line should be activated. That is, if the word line becomes active before the cell plate level and the level of the bit line pair reach VPP, the contents of the cell may be destroyed. FIG. 9 conceptually shows the order in which the levels of the δ node are raised when the power is turned on. Here, the cell plate level detection circuit 91 is a circuit that monitors the cell plate level, and the output vp is "L" when the power is turned on, but when the cell plate level reaches approximately VPP, the output Vp becomes "H".
''. The bit line precharge level detection circuit 92 is a circuit that monitors the potential level of the bit line, and the output VB is "L" when the power is turned on, or the BLP signal rises when the power is turned on. When the bit line begins to be precharged and its level reaches approximately VPP, VB goes to 'H.
The above two signals vp and vn are subjected to AND processing by the AND gate 93, and for the first time, the output of the word line level generation circuit 94 and the output of the dummy word line level generation circuit 95 are ANDed. It goes out to the word line and dummy word line through the gates 96 and 97, and the bit line side electrodes of the memory cell and reference cell change to VPI'.Until this time, the charge transfer transistor is off, so The above-mentioned bit line side electrode is in an lf-free state, and no electric field is applied to the ferroelectric material of the ferroelectric capacitor to the extent that its spontaneous polarization is reversed. Only after the level of the word line rises properly and the level of the bit line side electrode of the reference cell properly reaches VPP can the AND gate 98 accept external signals for memory control and generate internal signals. It becomes possible to access the cell without accidentally performing sensing. In other words, by the sequence of rising the potential level of each electrode node when the power is turned on, the cell plate level and the level of the bit line pair can be changed. Only when the output is sufficient can the transistor for charge transfer between the cell and the bit line turn on, and after that it can accept external signals for memory control and generate internal signals. Sensing of cell data becomes possible.When the power is turned off, the memory cell and reference cell must be completely disconnected from the bit line before the bit line level and cell plate level are turned off. A transient voltage that reverses the polarization occurs.In other words, the cell plate level VPF and the NMOS transistor S of the sense amplifier SA
It is necessary for the drive signal SEN of N and SN2 to follow changes in VCC with a sufficient time constant. The circuit configuration of this tank is schematically shown in FIG. Here, since VPF, which is the output of the cell plate level generation circuit] 01, and SEN, which is the output of the SEN level generation circuit 102, have sufficiently large capacitance as shown by the dotted line, they are connected to vec or VSS. Even if it is off, direct V
As long as the charge does not flow in the CC direction, it will discharge slowly enough and the level will drop. For this purpose, a diode 103 is inserted between the two level generation circuits 101 and 102 and the VCC node. As a result, the SEN output and the VPI' output are turned off by the circuit's own time constant, and after the word line level generation circuit 94 and the dummy word line level generation circuit 95 in FIG. 9 are turned off immediately after the power is turned off. Since it is turned off with sufficient time, the cell will not be destroyed. That is, due to the above-described sequence of raising the potential level of each electrode node when the power is turned off, each output of the cell plate level generation circuit and the sense amplifier drive level generation circuit receives an external signal for memory control and outputs an internal signal. After the circuit that generates the signal and the circuit that generates the signal that turns on the charge transfer transistor are turned off, it is completely turned off. In addition, in the above embodiment, the reference ferroelectric capacitor between the two reference cells has been described as having a capacitance approximately half of the capacitance of the ferroelectric capacitor of the memory cell. Strong: A
It is not necessary to have a capacitance that is approximately 1/2 of the capacitance of an electric capacitor, and the amount of polarization inversion corresponding to the difference from the capacitance of the ferroelectric capacitor of the memory cell can be obtained. Further, in the above explanation, an example was shown in which the two reference ferroelectric capacitors of the reference cell are each connected to one bit line via separate charge transfer transistors, but the present invention is not limited to this. As shown in Figure 11, two reference ferroelectric capacitors (DCI and DC2) are connected to one bit line BL through one charge transfer transistor DT, and similarly, two
Even if two reference ferroelectric capacitors (DC3 and DC, . . . ) are connected to the other bit line BL through one charge transfer transistor DT3, the same operation and effect as described above can be achieved. is obtained. [Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, by configuring a RAM in the circuit system as described above using cells having ferroelectric capacitors having a predetermined structure as described above, It has the same level of integration as the DRA ki of
Moreover, refreshing is also an important factor, and semiconductor memory, which can hold data non-volatilely when the power is turned off and has read/write access times on par with conventional DRAM, is different from conventional DR.
This can be achieved without departing significantly from AM circuit design and process technology. Therefore, the semiconductor memory of the present invention is
It is very effective in the field of semiconductor memory as a replacement for magnetic disks.
第1図は本発明の一実施例に係る甲、導体メモリのセル
データセンス系の一例を示す回路図、第2図(a)は第
1図中の強誘電体キャパシタを有するメモリセルの等価
回路図、第2図(b)は同図(a)中の強誘電体キャパ
シタの(1M造を示す断面図、第3図は第1図中のリフ
ァレンスレベル発生回路の一例を示す回路図、第4図は
強誘電体の分極と電場との関係を示す特性図、第5図(
a)は第2図Ca>のメモリセルの甲面バクーンを示ず
図、第5図(b)は同図(a)の[3−B線に沿う断面
図、第6図(a)および(b)は第1図中のメモリセル
のデータ読出しのb法を説明するために示す図、第7図
(a)および(b)は第3図中のリファレンスセルによ
るリファレンスレベル発41= Jj法を説明するため
に示す図、第8図は第1図のセルデータセンス系の動作
を示す波形図、第9図は電源オン時におけるメモリ回路
の立上げ順序を説明するために示す図、第10図は電源
オフ時におけるセルプレートレベル発生回路の出力およ
びSENレベル発生回路回路の出力のリセット方法を説
明するために示す図、第11図は第′3図のリファレン
スレベル発生回路の変形例を示す回路図、第12図は従
来のDRAMのメモリセルの等価回路図である。
lvl C、〜MC4・・・メモリセル、C,−C,・
・・メモリセルの強誘電体キャパシタ、T、−T4・・
・メpリセルの電荷転送トランジスタ、RCSRC・・
リファレンスセル、DC,〜D C、、・・・リファレ
ンスセルの強、透電体キャパシタ、DT、〜D T 、
、・・・リファレンスセルの電荷転送トランジスタ、W
L。
WLl、WLl、WL2・・・ワード線、DWL。
DWL・・・ダミーワード線、BL、BL・・・ビット
線、SA・・・センスアンプ、sp、〜SP3・・・セ
ンスアンプのPMOSトランジスタ、SN、〜SN、・
・センスアンプのNMO3)ランジスタ、PR・・・プ
リチャージ回路、LS・・・ビット線レベルセット回路
、1・・・半導体基板、4・・・ワード線、7・・・第
2導電”J (強誘電体キャパシタの電極)、8・・・
強誘電体層、9・・・第3導電層(強誘電体キャパシタ
のセルプレート電極)、11・・・ビット線、20・・
・強誘電体、21.22・・・強請7IS体キヤバンク
の電極、91・・・セルプレートレベル検出回路 c)
2・・・ビット線プリチャージレベル検出回路、93
.96.97.98・・・アンドゲート、94・・・ワ
ード線レベル発生回路、95・・・ダミーワード線レベ
ル発生回路、101・・セルプレートレベル発生回路、
102・・・5EN(センスアンプ駆動信号)レベル発
生回路、103・・・ダイオード。
出Y1fi人代理人 弁理士 鈴11武1蓬第
図
第
図
LST
(a)
(b)
第
図
PF
VSS
PF
VSS
第11
図
■P
PF
5S
(b)
第
図FIG. 1 is a circuit diagram showing an example of a cell data sensing system of a conductive memory according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2(a) is an equivalent circuit diagram of a memory cell having a ferroelectric capacitor in FIG. Circuit diagram, FIG. 2(b) is a cross-sectional view showing a 1M structure of the ferroelectric capacitor in FIG. 2(a), FIG. 3 is a circuit diagram showing an example of the reference level generation circuit in FIG. Figure 4 is a characteristic diagram showing the relationship between ferroelectric polarization and electric field, and Figure 5 (
Fig. 5(b) is a sectional view taken along line 3-B of Fig. 2(a), Fig. 6(a) and (b) is a diagram shown to explain method b of reading data from the memory cell in FIG. FIG. 8 is a waveform diagram showing the operation of the cell data sense system in FIG. Fig. 10 is a diagram shown to explain a method of resetting the output of the cell plate level generation circuit and the output of the SEN level generation circuit when the power is turned off, and Fig. 11 is a modification of the reference level generation circuit shown in Fig. '3. FIG. 12 is an equivalent circuit diagram of a conventional DRAM memory cell. lvl C, ~MC4...Memory cell, C, -C,.
...Memory cell ferroelectric capacitor, T, -T4...
・Mepricell charge transfer transistor, RCSRC...
Reference cell, DC, ~D C, ...Reference cell strength, conductive capacitor, DT, ~D T ,
,...Reference cell charge transfer transistor, W
L. WLl, WLl, WL2...word line, DWL. DWL...Dummy word line, BL, BL...Bit line, SA...Sense amplifier, sp, ~SP3...PMOS transistor of sense amplifier, SN, ~SN,...
- NMO of sense amplifier 3) transistor, PR... precharge circuit, LS... bit line level set circuit, 1... semiconductor substrate, 4... word line, 7... second conductor "J ( Ferroelectric capacitor electrode), 8...
Ferroelectric layer, 9... Third conductive layer (cell plate electrode of ferroelectric capacitor), 11... Bit line, 20...
・Ferroelectric material, 21.22...Electrode of 7IS body carrier bank, 91...Cell plate level detection circuit c)
2...Bit line precharge level detection circuit, 93
.. 96.97.98...AND gate, 94...Word line level generation circuit, 95...Dummy word line level generation circuit, 101...Cell plate level generation circuit,
102...5EN (sense amplifier drive signal) level generation circuit, 103...diode. Out Y1fi agent Patent attorney Suzu 11 Take 1 Hodai Figure Figure LST (a) (b) Figure PF VSS PF VSS Figure 11 ■P PF 5S (b) Figure
Claims (10)
を検知増幅するセンスアンプ系を有する半導体メモリに
おいて、 前記メモリセルは、強誘電体をキャパシタの電極間に挟
んだ構造を持つ強誘電体キャパシタの一方の電極の電位
が、前記ビット線の論理的な“1”と“0”に対応する
電位のほぼ中間レベルに固定され、この強誘電体キャパ
シタの他方の電極とビット線との間に電荷転送用トラン
ジスタが接続されてなり、 前記強誘電体キャパシタの電極間の最大間隔をd(cm
)、前記強誘電体の自発分極を反転し、殆んど変化しな
くなるのに要する電場の強さをEt(v/cm)で表わ
したとき、Et×dの値が、前記ビット線の論理的な“
1゛と“0”に対応する電位の差のほぼ半分よりも小さ
いことを特徴とする半導体メモリ。(1) In a semiconductor memory having a sense amplifier system that detects and amplifies potential changes in a bit line pair caused by a memory cell, the memory cell is a ferroelectric capacitor having a structure in which a ferroelectric material is sandwiched between capacitor electrodes. The potential of one electrode of the ferroelectric capacitor is fixed at a level approximately midway between the potentials corresponding to logical "1" and "0" of the bit line, and a voltage is set between the other electrode of the ferroelectric capacitor and the bit line. A charge transfer transistor is connected, and the maximum distance between the electrodes of the ferroelectric capacitor is set to d (cm).
), when the strength of the electric field required to reverse the spontaneous polarization of the ferroelectric material so that it hardly changes is expressed in Et (v/cm), the value of Et x d is the logic of the bit line. “
A semiconductor memory characterized in that the difference between potentials corresponding to 1 and "0" is less than approximately half.
の基板表面上にゲート絶縁膜を介して電荷転送用トラン
ジスタのゲート電極(およびワード線)となる第1導電
層がパターニング形成され、このゲート電極上および基
板上に絶縁層が形成され、この絶縁層上に第2導電層が
島状にパターニング形成されて個々のメモリセル用とし
て独立した強誘電体キャパシタの一方の電極が形成され
ると共に、前記絶縁膜に形成されたコンタクトホールを
介して前記電荷転送用トランジスタのソース(またはド
レイン)となる基板の不純物拡散層領域へ導電性のコン
タクトがとられ、この第2導電層上に各メモリセルに共
通の強誘電体層および第3導電層が順次堆積されてパタ
ーニングされて前記強誘電体キャパシタの他方の電極(
プレート電極)が形成され、この第3導電層上および基
板上に層間絶縁層が形成され、この層間絶縁層上に第4
導電層がパターニング形成されてビット線が形成される
と共に、前記層間絶縁層に形成されたコンタクトホール
を介して前記電荷転送用トランジスタのドレイン(また
はソース)となる基板の不純物拡散層領域へ導電性のコ
ンタクトがとられていることを特徴とする請求項1記載
の半導体メモリ。(2) The structure of the memory cell is such that a first conductive layer, which becomes the gate electrode (and word line) of the charge transfer transistor, is formed by patterning on the substrate surface of the element region of the semiconductor substrate via a gate insulating film. An insulating layer is formed on the gate electrode and the substrate, and a second conductive layer is patterned into islands on the insulating layer to form one electrode of an independent ferroelectric capacitor for each memory cell. At the same time, a conductive contact is made through the contact hole formed in the insulating film to the impurity diffusion layer region of the substrate which becomes the source (or drain) of the charge transfer transistor, and each layer is formed on the second conductive layer. A ferroelectric layer common to the memory cell and a third conductive layer are sequentially deposited and patterned to form the other electrode of the ferroelectric capacitor (
a plate electrode) is formed, an interlayer insulating layer is formed on this third conductive layer and on the substrate, and a fourth interlayer insulating layer is formed on this interlayer insulating layer.
A conductive layer is patterned to form a bit line, and the conductive layer is conductive to the impurity diffusion layer region of the substrate which becomes the drain (or source) of the charge transfer transistor through the contact hole formed in the interlayer insulating layer. 2. The semiconductor memory according to claim 1, wherein a contact is made between the semiconductor memory and the semiconductor memory.
ベルに対するリファレンスレベルを発生するリファレン
スレベル発生回路は、前記ビット線対の各ビット線にそ
れぞれリファレンスセルが接続されており、このリファ
レンスセルは、2個のリファレンス用強誘電体キャパシ
タが電荷転送用トランジスタを介して前記ビット線対の
うちの一方のビット線に接続されていることを特徴とす
る請求項1記載の半導体メモリ。(3) In the reference level generation circuit that generates a reference level for a read level of data of the memory cell onto a bit line, a reference cell is connected to each bit line of the bit line pair, and the reference cell is configured to: 2. The semiconductor memory according to claim 1, wherein two reference ferroelectric capacitors are connected to one of the bit lines of the bit line pair via a charge transfer transistor.
、それぞれ前記メモリセルの強誘電体キャパシタとほぼ
同様の構造であって、このメモリセルの強誘電体キャパ
シタのほぼ1/2の面積と容量を有することを特徴とす
る請求項3記載の半導体メモリ。(4) The two reference ferroelectric capacitors each have substantially the same structure as the ferroelectric capacitor of the memory cell, and have approximately 1/2 the area and capacity of the ferroelectric capacitor of the memory cell. 4. The semiconductor memory according to claim 3, further comprising:
うちの一方のキャパシタは、電荷転送用トランジスタ側
の電極に対向する対向電極が電源レベルの電位に固定さ
れ、他方のキャパシタは、電荷転送用トランジスタ側の
電極に対向する対向電極が、前記ビット線の論理的な“
1”に対応する電位と“0”に対応する電位のほぼ中間
レベルの電位に固定されており、前記メモリセルのデー
タセンス時に前記電荷転送用トランジスタがオンになっ
て前記キャパシタが前記ビット線に接続されると、前記
電源レベルの電位に固定された対向電極を持つ一方のキ
ャパシタの強誘電体自発分極は反転せず、前記中間レベ
ルの電位に固定された対向電極を持つ他方のキャパシタ
の強誘電体自発分極は反転するように、予め前記強誘電
体自発分極が設定されていることを特徴とする請求項4
記載の半導体メモリ。(5) One of the two reference ferroelectric capacitors has a counter electrode facing the electrode on the charge transfer transistor side fixed to the potential of the power supply level, and the other capacitor is the one for charge transfer. A counter electrode opposite to the transistor side electrode is connected to the logical “” of the bit line.
The charge transfer transistor is fixed to a potential approximately at an intermediate level between the potential corresponding to "1" and the potential corresponding to "0", and when data is sensed in the memory cell, the charge transfer transistor is turned on and the capacitor is connected to the bit line. When connected, the ferroelectric spontaneous polarization of one capacitor with a counter electrode fixed at the potential of the power supply level is not reversed, and the polarization of the other capacitor with the counter electrode fixed at the potential of the intermediate level is reversed. Claim 4, wherein the ferroelectric spontaneous polarization is set in advance so that the dielectric spontaneous polarization is reversed.
The semiconductor memory described.
が開始されるまでは、前記ビット線の論理的な“1”に
対応する電位と“0”に対応する電位のほぼ中間レベル
の電位にイコライズされており、前記リファレンスレベ
ル発生回路の中のリファレンス用強誘電体キャパシタの
電荷転送用トランジスタ側の電極も前記中間レベルの電
位にセットされており、アクセスが開始すると、前記メ
モリセルの電荷転送用トランジスタおよびリファレンス
セルの電荷転送用トランジスタがオンする直前に、ビッ
ト線対の電位が電源レベルの付近に設定され、その後、
メモリセルの電荷転送用トランジスタおよびこのメモリ
セルと対をなす側のビット線に接続されているリファレ
ンスセルの電荷転送用トランジスタがオンし、ビット線
対のうちの一方のビット線には前記メモリセルのデータ
による電位変化が生じ、他方のビット線には前記2個の
リファレンス用強誘電体キャパシタのうちの1つのキャ
パシタの自発分極が反転されてリファレンスレベルとし
ての電位変化が生じるように構成されていることを特徴
とする請求項5記載の半導体メモリ。(6) The bit line pair is at a potential approximately at an intermediate level between the potential corresponding to the logical "1" and the potential corresponding to the logical "0" of the bit line until access of memory cell data is started. The electrode of the reference ferroelectric capacitor in the reference level generation circuit on the charge transfer transistor side is also set to the intermediate level potential, and when access starts, charge transfer of the memory cell is performed. Immediately before the charge transfer transistor and the reference cell charge transfer transistor turn on, the potential of the bit line pair is set near the power supply level, and then,
The charge transfer transistor of the memory cell and the charge transfer transistor of the reference cell connected to the bit line paired with this memory cell are turned on, and one bit line of the bit line pair is connected to the memory cell. The bit line is configured such that a potential change occurs depending on the data, and the spontaneous polarization of one of the two reference ferroelectric capacitors is inverted to cause a potential change as a reference level on the other bit line. 6. The semiconductor memory according to claim 5, characterized in that:
シタの一方の電極に与えられる固定電位としての前記中
間レベルと前記ビット線対に与えられる前記中間レベル
とがそれぞれ確定した後に、前記メモリセルの電荷転送
用トランジスタおよびリファレンスセルの電荷転送用ト
ランジスタがオンすることが可能となり、この状態にな
って初めてメモリ制御用の外部信号を受け付けて内部信
号を発生してメモリセルデータのアクセスを行うように
構成されていることを特徴とする請求項6記載の半導体
メモリ。(7) When the power is turned on, after the intermediate level as a fixed potential applied to one electrode of the ferroelectric capacitor of the memory cell and the intermediate level applied to the bit line pair are determined, the memory cell The charge transfer transistor in the cell and the charge transfer transistor in the reference cell can be turned on, and it is only in this state that external signals for memory control are accepted, internal signals are generated, and memory cell data is accessed. 7. The semiconductor memory according to claim 6, wherein the semiconductor memory is configured as follows.
する回路および前記電荷転送用トランジスタを駆動する
回路が完全にリセットされた後に、前記メモリセルの強
誘電体キャパシタの一方の電極に与えられる固定電位と
しての前記中間レベルと前記ビット線対に与えられる前
記中間レベルの電位とを発生する回路および前記ビット
線対のレベルを検知増幅するセンス系の駆動信号発生回
路が完全にオフするように構成されていることを特徴と
する請求項6記載の半導体メモリ。(8) When the power is turned off, after the circuit that receives an external signal and generates an internal signal and the circuit that drives the charge transfer transistor are completely reset, apply a voltage to one electrode of the ferroelectric capacitor of the memory cell. A circuit that generates the intermediate level as a fixed potential applied to the bit line pair and the intermediate level potential applied to the bit line pair, and a sense drive signal generating circuit that detects and amplifies the level of the bit line pair are completely turned off. 7. The semiconductor memory according to claim 6, wherein the semiconductor memory is configured as follows.
が開始されるまでの前記中間レベルの電位にイコライズ
される期間が長い時には、前記メモリセルの電荷転送用
トランジスタがオン状態に設定されるように構成されて
いることを特徴とする請求項6記載の半導体メモリ。(9) When the period in which the bit line pair is equalized to the intermediate level potential is long until access of memory cell data is started, the charge transfer transistor of the memory cell is set to an on state. 7. The semiconductor memory according to claim 6, wherein the semiconductor memory is configured as follows.
のうち、前記対向電極が前記中間レベルの電位に固定さ
れている一方のキャパシタは、電荷転送用トランジスタ
側の電極が1つのトランジスタを介して電源レベルの電
位に接続されていることを特徴とする請求項5記載の半
導体メモリ。(10) Of the two reference ferroelectric capacitors, one of the capacitors, the opposing electrode of which is fixed at the potential of the intermediate level, has an electrode on the charge transfer transistor side connected to a power supply via one transistor. 6. The semiconductor memory according to claim 5, wherein the semiconductor memory is connected to a level potential.
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